鐵素體不銹鋼的焊接不同于奧氏體不銹鋼，難度也高于奧氏體不銹鋼，因此也制約了鐵素體的推廣應(yīng)用。本文是不銹鋼分會專家李天寶教授專門就鐵素體不銹鋼的焊接方式、焊接注意事項等問題進行的專業(yè)解答。

       鐵素體不銹鋼在室溫下，一般具有純鐵素體組織，強度不算很高，塑性、韌性良好；若將其加熱到高溫，也有可能會出現(xiàn)少量的奧氏體組織(對含鉻較低的鋼)或者根本不出現(xiàn)奧氏體組織。所以，在焊接過程的熱循環(huán)作用下，有可能出現(xiàn)少量或者不出現(xiàn)馬氏體組織。因此，這類鋼經(jīng)焊接后不會出現(xiàn)強度顯著下降或淬火硬化的問題，即使出現(xiàn)了少許馬氏體組織也可以通過焊后熱處理來解決。可以說，這類鋼焊接接頭的室溫強度不是焊接的主要矛盾；再者，由于其焊接熱膨脹問題遠比奧氏體不銹鋼輕微，因而其焊接熱裂紋和冷裂紋的問題也不很突出。

       通常說，鐵素體型不銹鋼不如奧氏體不銹鋼好焊，主要是指在焊接過程中，可能導(dǎo)致焊接接頭的塑性、韌性降低，即發(fā)生脆化的問題。同其他品種不銹鋼的焊接一樣，如何保證鐵素體型不銹鋼焊接接頭具有相同于母材的耐腐蝕性，焊接接頭在高溫下長期服役可能出現(xiàn)的脆化問題，都是必須重視的。

    鐵素體不銹鋼的熱膨脹系數(shù)與碳鋼相近，比奧氏體不銹鋼小，再加之S、P等

雜質(zhì)在鐵素體中溶解度大，Si、Nb等是鐵素體形成元素，因此，焊縫結(jié)晶時不易形成低熔點共晶，熱裂傾向比奧氏體不銹鋼小得多，同時焊接熱影響區(qū)超過臨界溫度的區(qū)域形成馬氏體的量也極少，因此淬硬性傾向也很小，所以，鐵素體不銹鋼比馬氏體不銹鋼的延遲裂紋敏感性小，可以說其工藝焊接性是好的。

    鐵素體不銹鋼為Fe-Cr-C三元合金，由Cr以及諸如Al、Nb、Mo及Ti等添加元素來防止在焊接受熱過程中形成奧氏體。因此，鐵素體不銹鋼在焊后冷卻過程中不會出現(xiàn)奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的淬硬現(xiàn)象。但焊接熱所形成的熱影響區(qū)近縫帶，由于高溫而促成鐵素體晶粒粗大，明顯降低了接頭的韌性，并且不可能直接用熱處理的方法來改善。這就是鐵素體不銹鋼焊接中最為困難之處。

    現(xiàn)代鐵素體不銹鋼已發(fā)展到了第三代品種。第—代是完全依靠鉻作為鐵素

體穩(wěn)定元素，而含碳量又偏高，因此在焊接之后若不再進行熱處理，必然會產(chǎn)生晶間腐蝕。而且這一代鋼的韌性都偏低，其代表鋼號為430、442及446。第二代品種以405與409為代表，它們的鉻與碳含量下降了，而加了強烈的鐵素體形成劑，如405是加入Al，409加人Ti。第二代鐵素體不銹鋼除了在韌性方面與第一代相差不大之外，在工藝性能、固碳(Ti及Nb與C反應(yīng)形成TiC和NbC)以減少固溶體中碳含量、提高耐腐蝕性能等方面都有了一定的提高。第三代的鐵素體不銹鋼，則以改進冶煉方法來生產(chǎn)超低碳和超低氮含量的、可用大噸位爐子冶煉的、采用較少間隙固溶元素的鋼種，以444(18Cr-2Mo)、26-1(26Cr-1Mo)、445J2(22Cr-2M。)和S4460(27Cr-4Mo-2Ni)為代表。當這些鋼種再加入強烈碳化物形成劑，如Ti、Nb，則可在焊后不進行熱處理，也不會有晶間腐蝕出現(xiàn)。此外，第三代鋼的韌性大大提高，對點腐蝕、應(yīng)力腐蝕也具有良好的抵抗能力。

    鐵素體不銹鋼焊接接頭的脆化，是這類鋼使用受到限制的主要原因。鐵素體

不銹鋼焊接接頭的脆化，主要的問題是同質(zhì)焊縫及熱影響區(qū)在焊接過程中C、N

化合物析出和晶粒長大的作用，特別是C、N化合物的析出，而且?guī)缀醪豢赡芡?/span>

過熱處理加以消除。而高純度鐵素體不銹鋼在很大程度上消除了焊縫及熱影響

區(qū)中的C、N化合物，極大地改善了焊接性，其焊接結(jié)構(gòu)得到越來越廣泛的使用。

    晶間腐蝕是普通鐵素體不銹鋼的又一主要問題。由于C、N在鐵素體不銹鋼

中的溶解度很低，在950℃以后迅速析出，因此，同質(zhì)焊材和熱影響區(qū)在焊后冷卻過程中就會析出C、N化合物，除了引起脆化外還會引起晶界貧鉻和提高晶間腐蝕敏感性，在強氧化介質(zhì)中發(fā)生晶間腐蝕。與奧氏體不銹鋼不同的是鐵素體不銹鋼的敏化溫度較高，在950℃以上，因此，在熱影響區(qū)產(chǎn)生晶間腐蝕的部位更靠近熔合線。鉻在鐵素體不銹鋼的擴散速度遠比在奧氏體不銹鋼中快，所以只需700—900℃的范圍內(nèi)短時間保溫，使鉻向貧鉻區(qū)擴散，即可消除C、N化合物析

出引起的晶界貧鉻，恢復(fù)焊接接頭的耐腐蝕性能。

1. 鐵素體不銹鋼的連接方法

    許多連接不銹鋼的方法都能夠很好地應(yīng)用于鐵素體不銹鋼，主要包括：

 (1)熔化焊  通過母材和填充金屬熔化后重結(jié)晶使相互分離的兩個或更多的材料達到完全的結(jié)合。

 (2)軟釬焊  使用熔點在450℃以下的填充金屬，加熱其到釬焊溫度(低于母材金屬的熔點)以獲得連接。

 (3)硬釬焊  與軟釬焊相同，但焊接溫度>450℃。

 (4)機械連接  包括嵌合、卷邊結(jié)合、鉚接和機械緊固等。

 (5)粘接  使用粘接劑并對干凈和活性的表面施加壓力來實現(xiàn)，粘接劑通過氧氣、水或化學(xué)反應(yīng)來實現(xiàn)連接作用。

    諸多為碳鋼而研發(fā)的焊接方法也可以使用在不銹鋼焊接中，真正適合于不銹鋼焊接并且已經(jīng)成為標準的方法有電弧焊、電阻焊、電子束焊，激光焊和摩擦焊等。

    雖然說各種電弧焊方法都可用做鐵素體不銹鋼的焊接，但焊接能量集中、焊接速度較快的焊接方法應(yīng)是鐵素體不銹鋼焊接方法的首選。采用合適的焊接方法，來實現(xiàn)控制焊接線能量，達到抑制焊接區(qū)的鐵素體晶粒過分長大的目的。

    如此看來，焊接方法應(yīng)選擇高能量的等離子弧焊和真空電子束焊最為合適，并要防止空氣的侵入。除采用小的熱輸入進行焊接外，焊縫背面可用惰性氣體保護，并最好采用水冷銅墊板，以減少過熱，增加冷卻速度；多層焊時層間溫度要控制在1000C左右。

    2. 鐵素體不銹鋼的焊接材料

    鐵素體不銹鋼焊接材料的選擇，對鐵素體不銹鋼的焊接無疑是非常重要的。

其焊接材料既要保證焊接接頭的塑性、韌性，即不發(fā)生脆化的問題，又要保證鐵素體型不銹鋼焊接接頭具有相同于母材的耐腐蝕性。

    在焊接鐵素體不銹鋼時，通?？梢圆捎脙煞N焊接材料。

    與母材相同類型的焊接材料  如0Crl2、0Crl3、0Crl3A1等用0Crl3Nb焊絲，0Crl7、0Crl7Ti使用10Crl7(Ti)焊絲。在要求焊縫金屬與母材有相同的導(dǎo)電、導(dǎo)磁及力學(xué)性能和表面色澤時應(yīng)使用同材質(zhì)的焊接材料。

    采用奧氏體焊接材料或鎳基合金  采用奧氏體焊接材料或鎳基合金，實質(zhì)上是異種鋼焊接，可以提高焊接接頭的韌性，免除焊前預(yù)熱和焊后熱處理。由于鐵素體焊接材料的熔敷金屬韌性太低，加上添加的Al與Ti等鐵素體形成元素難以有效地過渡到熔池中去，因此鐵素體焊接材料的應(yīng)用受到一定的限制。盡管在一些例子中采用同種金屬做焊絲是成功的，但最好還是采用低碳的奧氏體不銹鋼作為鐵素體不銹鋼焊縫的填充金屬。鐵素體不銹鋼焊接材料的選擇見表1。

             表1  鐵素體不銹鋼焊接材料

高匹配的填充金屬  為了保證焊縫也具有耐蝕性，使用的任何鐵素體填充金屬的Cr、Mo、Ti和(或)Nb合金元素的含量要稍高于其母材中的含量。這是由于在焊接區(qū)會由于熱的作用而使鉻燒損。另外，也可以使用奧氏體填充金屬，Cr和Mo的含量要高于母材。

    保護氣體  由于含Cr高，不銹鋼在熔化狀態(tài)下被強烈氧化。如果在焊接過程中沒有使其與空氣隔離，鉻就會燒損并形成氧化物，結(jié)果會喪失致密性，降低焊接接頭的耐蝕性。對焊縫表面和附近區(qū)域的保護通常是通過提供惰性氣體的保護來實現(xiàn)的。這種保護氣體可以是純氬(Ar)或氦氣(He)或者是二者的混合氣體。

    在焊接鐵素體不銹鋼時，保護氣體應(yīng)是純氬或者是氬和氦的混合氣體。氬氫混合氣體通常用于奧氏體不銹鋼中，但這可能會引起焊接接頭的氫脆。在焊接鐵素體不銹鋼時，氬是最常見的背保氣體(用來保護工件的背面)。在焊接鐵素體不銹鋼時是絕對禁止使用氮氣的。

 3.鐵素體不銹鋼的焊接工藝

    為了克服普通高鉻鐵素體不銹鋼在焊接過程中出現(xiàn)的晶間腐蝕和焊接接頭脆化而引起的冷裂紋，在焊接工藝上應(yīng)采取以下措施：

    焊前預(yù)熱  預(yù)熱溫度為100—200℃，目的在于使被焊材料處于韌性較好的狀態(tài)和降低焊接接頭的應(yīng)力。隨著鋼種鉻含量提高，預(yù)熱溫度也相應(yīng)提高。

    焊后熱處理  焊后對焊接接頭區(qū)域要進行750—800℃退火處理，使過飽和

碳和氮完全析出，鉻充分地補充到貧鉻區(qū)，以恢復(fù)其耐蝕性，同時也可改善焊接接頭的塑性。值得注意的是，退火后應(yīng)快冷，以防止475℃脆性產(chǎn)生。

    采用小的熱輸入  在焊接過程中，應(yīng)采用小的熱輸入進行施焊，以減少高溫

脆化和4750C脆性的影響。當選用的焊接材料與母材金屬的化學(xué)成分相當時，必須按上述工藝措施進行。如選用奧氏體不銹鋼焊接材料，則可免除焊前預(yù)熱和焊后熱處理；但對于不含穩(wěn)定化元素的鐵素體不銹鋼焊接接頭來說，熱影響區(qū)的粗晶脆化和晶間腐蝕問題不會因填充材料的改變而變化。奧氏體或奧氏體—鐵素體焊縫金屬基本上與鐵素體不銹鋼母材等強度；但在某些腐蝕介質(zhì)中，這種異質(zhì)焊接接頭的耐蝕性可能低于同質(zhì)的接頭。

    極低碳的高鉻鐵素體不銹鋼板厚度小于5mm時焊前可不預(yù)熱，焊后也不必

進行熱處理，可使焊接接頭仍保持足夠的韌性，耐腐蝕性也好。其焊接工藝的重點是使焊縫金屬中碳加氮的含量不高于母材金屬中的含量，要求焊接材料必須滿足這一要求。其焊接方法應(yīng)選擇高能量的等離子弧焊和真空電子束焊。要求焊接材料不得污染；焊接熔池、焊縫背面都要有效保護，防止空氣的侵入。除采用小的熱輸入進行焊接外，焊縫背面可用惰性氣體保護，并最好采用通冷卻水的銅墊板，以減少過熱，增加冷卻速度。多層焊時層間溫度要控制在100℃左右。

 4.鐵素體不銹鋼焊接問題的發(fā)現(xiàn)和解決

    鐵素體不銹鋼在焊接時，還會在高溫下由“形成相”和“晶粒粗化”而產(chǎn)生脆

化。這些問題的解決方法見表2。

表2  焊接鐵素體不銹鋼的補救方法

5. 鐵素體不銹鋼的焊接技巧

(1)采用窄焊道焊接，如小的焊接線能量、較快的焊接速度等；

(2)使焊絲的受熱末端始終處在保護氣體中；

(3)采用先進的焊接技術(shù)，如等離子電弧焊、熔化極電弧焊等；

(4)熄弧后應(yīng)繼續(xù)通保護氣體，直至冷卻充分；

(5)用純凈度高的氬氣保護焊接熔池；

(6)焊縫背面應(yīng)采用惰性氣體保護；

(7)對于多層焊接，應(yīng)用不銹鋼刷清除層間氧化物。

                          本文載自李天寶《現(xiàn)代鐵素體不銹鋼的性能及應(yīng)用》一書。

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